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3 MATERIALI CONDUTTORI  RAME E LE SUE LEGHE ....................................  Materiali conduttori per uso elettrico .......................................  Leghe del rame ..................................  Uso del rame nel settore elettrico ..............................................  Leghe di rame di uso elettrico ..............................................  ALLUMINIO E LE SUE LEGHE .........................  CONDUTTORI AD ALTA RESISTIVITA’ ...........  CONDUTTORI PER RESISTORI E FORNI ELETTRICI .........................................................  MATERIALI PER CONTATTI .............................  ALTRI TIPI DI CONDUTTORI ............................  MATERIALI PER CONTATTI STRISCIANTI ....................................................  MATERIALI PER SCARICATORI E VARISTORI .......................................................  MATERIALI PER TERMOCOPPIE ....................  RESISTORI ........................................................  POTENZIOMETRI E RESISTORI VARIABILI .........................................................  CARATTERISTICHE QUANTITATIVE DEI RESISTORI .......................................................

1 3 4 6 7 9 12 14 15 18 19 20 21 22 24 25

MATERIALI CONDUTTORI

RAME E SUE LEGHE - elevata conducibilità - ottime proprietà tecnologiche (trafilabilità, laminabilità, saldabilità) - elevate caratteristiche meccaniche - riciclaggio - formazione di leghe  rame per uso elettrico

elevata purezza (99,98%)

ricotto

- alta  - basse caratt. meccaniche - bassa  - alte caratt. meccaniche

rincrudito

 rame tough pitch

0,02%  0,05% Ossigeno. - migliore lavorabilità a caldo - migliora  (si combina con le impurezze)

t.p elettrolitico

Cu-ETP

raffinato a fuoco ad alta 

Cu-FRHC

 rame oxigen free

si usa in presenza di idrogeno che, ad alta temperatura, può diffondere nel rame e formare acqua ad alta pressione

Conducibilità del rame tough pitch e oxigen free a 20°C: cond. 1

 = 0,017241  . mm2 m  = 58

m  mm2

100% IACS (International Annealed Copper Sample) Scala comparativa della conducibilità elettrica Metallo Un. IACS Note Rame ricotto 100 % 99,9 % Rame crudo 97 % 99,9 % Rame ricotto 103 % 99,999 % Rame 103,5 % Max. Teor. Argento 106 % Alluminio 62 % Conducibilità IACS a 20°C di alcuni conduttori

Caratteristiche non elettriche - le caratteristiche meccaniche sono funzione dell’incrudimento - si ossida in aria: strato protettivo ad alta resistività - è attaccato dallo zolfo   Densità Carico rottura Temperatura (20°C) (Un. % IACS) [kg/dm3] alla trazione di fusione 2 [°C –1] [N/mm ] [°C] Argento 0,0038 106 10,492 300 960,5 Cu ricotto 0,00393 100 8,89 240 1083 Cu crudo 0,00381 97 8,89 400 1083 Oro 0,006 75 19,25 220 1063 Al ricotto 0,004 62 2,7 100 658 Al crudo 0,004 61 2,7 200 658 Proprietà del rame confrontate con quelle di altri conduttori Metallo

- MATERIALI CONDUTTORI PER USO ELETTRICO cond. 2

RAME - resistività molto bassa ( = 1,75 m) - duttile e malleabile (anche a basse temperature) - facilità di formazione leghe - resistenza alla corrosione - buona elettrodeposizione (rivestimenti) - facilità di raffinazione (riciclaggio rottami) STATI FISICI DEI SEMILAVORATI [H] : INCRUDITO

sottoposto a lavorazione a freddo deformazione e spezzamento del grano cristallino diminuisce 

[R] : RICOTTO

[H] riassestato (ricristallizzato) spontaneamente o per effetto di innalzamento di temperatura

[T] : TEMPRATO

riscaldato ad una temperatura, quindi rapidamente raffreddato. Aumenta la durezza e la resistenza meccanica

BONIFICATO

preriscaldato

temprato ricotto

- LEGHE DEL RAME cond. 3

- rame bassolegato (meno dell’1% di altri metalli) -- rame rame altolegato altolegato (più (più dell’ dell’ 1% 1% di di altri altri metalli) metalli) - leghe propriamente dette rame bassolegato all’argento (0,02%  0,25%)

al cadmio-stagno (0,2%  1% ; 0,2%  1%)

collettori e avv. di rotore (resistenza allo scorrimento) IACS)

bronzo telefonico (alta resistenza alla trazione)

lega da bonifica (Cr 1%) ottime proprietà meccaniche ( = 80%

rame rame aa titolo titolo elevato elevato - Cu, Si (3%), Mn (0,7%  1%) - Cu, Be (1,6%  2,1%) - Cu, Ni (1%  4,5%), Si (0,4%  1,3%)

leghe di rame - Ottoni

Cu, Zn (10%  35%)

- Bronzi fosforosi

Cu, Sn (2%  10%)

- Cupronichel

Cu, Ni, Zn

- Cupralluminio

Cu, Al (5%  10%) cond. 4

Caratteristiche Elettriche fornituraDiStato m / ohm * mm²

conduttività Microhm per cmResistività %IACS

Coefficiente di temperatura della 100 ºC) resistenza (nell’intervallo 0 ÷

Ricotto crudo 56,358,00+58,997100,0+101,5

1,781,7241+1,70

0,00381 per °C0,00393 per °C

Ricotto crudo 56,358,00+58,997100,0+101,5

1,781,7241+1,70

0,00381 per °C0,00393 per °C

Ricotto crudo 56,358,00+58,997100,0+101,5

1,781,7241+1,70

0,00381 per °C0,00393 per °C

Ricotto crudo 49+55,749+56,8 85+9685+98

0,00334+0,00385 2,0+1,82,0+1,76 0,00334+0,00377

crudoRicotto o

41+52

70+90

2,5+1,9

0,00275+0,00354

crudoRicotto o

49+55

85+95

2,0+1,8

0,00334+0,00373

Rame disossidato ad alto tenore residuo di P

Rame raffinato a fuoco per usi non elettrici

Cu - DHP

Cu – FRTP

Rame disossidato a Cu - DLP basso tenore residuo di P

Cu - OFossigenoRame esente da

Rame affinato a fuoco Cu - FRHC ad elevata conduttività

Rame elettrolitico Cu - ETP

Nome commerciale Sigla

Tipo di rame

- USO DEL RAME NEL SETTORE ELETTRICO -

- cavi e conduttori di linee - avvolgimenti di motori, generatori, trasformatori - contatti VALORE MINIMO  (per i semilavorati) valore campione (rame ricotto a 20 °C) IEC:  = 58 m / mm2 = 100% IACS (IACS: International Annealed Copper Sample) rame purissimo (99,999 Cu in peso)

fino a 103% IACS

rame per usi elettrici

 = 101%  102% IACS

VARIAZIONE DI  impurezze (maggiore influenza)

Caratteristiche elettriche dei vari tip cond. 5

incrudimento

raffinato

aumenta  per le leghe è l’incrudimento ad avere maggiore influenza su  (per l’ottone al 40% Zn:  diminuisce del 15%) IMPUREZZE massima diminuzione di 

presenza di soluz. acida P, An, Si, Fe

minima diminuzione di 

miscele Pb, Z

- LEGHE DI RAME DI USO ELETTRICO cond. 6

OTTONI Zn al 5%  50% all’aumentare della concentrazione di Zn diminuisce 

aumenta la resistenza meccanica (ottima lavorabilità) BRONZI

Stagno (2%  10%)

Fosforo (0,01%  0, %) bronzo fosforoso

CuSn5 (duttilità, resistenza meccanica, conducibilità elettrica, colabilità elevata) CUPRONICHEL

resistenza alla corrosione

Ni (5%  45%)

ALPACCHE Cu, Ni, Zn (8,25%  15,25%)

CUPRALLUMINI Al (5%  10%)

- elevato modulo di elasticità - all’aumentare del % di Ni diminuisce 

- resistenza alla corrosione - aggiungendo Fe si ha la magnetide

RAME + MANcond. 7 SE + NICHEL MANGANINA (CuMn12Ni4)

COSTANTANA (50%, 50%, 0,4 m, duttili e malleabili

- ALLUMINIO E 8SUE LEGHE cond.  minore peso specifico del rame ( ~ 1/3 Cu)  buona resistenza alla corrosione (umidità, fumi, atmosfera salina)  discreto valore di conducibilità ( ~ 2/3 Cu)  scarse proprietà meccaniche  utilizzato per le linee di trasporto dell’energia (puro al 99,5%) maggiore purezza

maggiore resistenza alla corrosione

Convenienza Al ~ Cu conduttori di stessa lunghezza l e stessa resistenza R

CAl . RAl = Al . SAl . Al . SCu  1 3 = 1 = CAl CCu . RCu Cu SCu SAl Cu 3 2 2 CCu

convenienza : CAl < 2 CCu

per unità di peso

proprietà meccaniche scarse: cavi con anima di acciaio e fili di alluminio avvolti - ALTRE CARATTERISTICHE DELL’ ALLUMINIO E SUE LEGHE CARA

cond. 9

TICHE

 bassa densità (2,7 kg/dm3)  prezzo inferiore al rame   = 0,0284  mm2/m a 20°C   = 62 % IACS  resistenza meccanica modesta  in aria : ricopertura ossido isolante  bassa temperatura di fusione  difficoltà di saldatura  buone proprietà tecnologiche  facilità di laminazione ed estrusione a freddo

IMPIEGHI DELL’ALLUMINIO  conduttori di alluminio e acciaio per linee aeree  cavi per media tensione  avvolgimenti per trasformatori (nastro e foglio)  schermi elettrostatici  armature di condensatori

PRINCIPALI LEGHE DELL’ALLUMINIO  ALDREY (Al 98,5  99%, Si, Mg)  elevata resistenza meccanica (300  350 N/mm2)  buona conducibilità (54 % IACS)  resistente alla corrosione  ANTICORODAL (Al, Si 1% , Mg 0,6% , Mn 0,3%)  elevata resistenza alla corrosione (accessori di linea e per connesioni) Al > Cu cond. 10

aumento della sezione del conduttore

diminuisce l’effetto CORONA (effluvio delle cariche nei conduttori di alta tensione) tensione di innesco ( Peek ) v0 = k r log d r - k = f(pressione atmosferica, temperatura, stato della superficie) - r = raggio del conduttore - d = distanza dei conduttori

ALDREY (Al, Si 0,6% , Mg 0,4  0,5% , Fe 0,2  0,3%)  resistenza meccanica vicina a quella del rame  resistività di circa il 13% in più dell’alluminio puro  leggera (come l’alluminio)  resistente agli agenti atmosferici (come l’alluminio)

- CONDUTTORI AD ELEVATA RESISTIVITA’ cond. 11

Non sono utilizzabili per il trasporto di energia Hanno conducibilità intermedia tra i conduttori Cu, Al…e gli isolanti (tra questi rientrano i semiconduttori)

CONDUTTORI

SEMICONDUTTORI

Ag Cu Fe Hg Grafite Sn Ge 10-8

10-6

10-4

10-2

100

Si 102

104

ISOLANTI

Polimeri organici Mica

106 108 1010 1012 1014 1016

Spettro della resistività ( . m)

Metalli e leghe metalliche meccanismo di conduzione impiego

SiO2

metallico resistori

Ferro e leghe ferrose si usano ferro puro, acciaio al silicio, ghisa impiego

resistori per notevole dissipazione per effetto Joule (uso ferroviario)

MANGANINA cond. 12

- Cu (83%  87%) Mn (10%  13%) Ni (0%  4%) - a 20 °C è   0 - utilizzata per realizzare resistori campione - potenziale termoelettrico col rame: +1/-1,5 mV/°C (0  50°C)

COSTANTANA - Cu (55%  57%) Ni (45%  47%) - a 20 °C è   0 - utilizzata per realizzare termocoppie - potenziale termoelettrico col rame: -42/-43 mV/°C (0  105°C)

NICHEL CROMO - Ni (60%) Cr (40%) - resistente all’ossidazione anche a temperature elevate - utilizzata per realizzare resistori per elementi riscaldanti posti in aria

0 ( . mm2/m) 0,10 0,19 0,80 1,06 0,350,50

0 0,05 0,0042 0,0075 0,0001 0,0000020,0000 5 Costantana 0,49 0,00002 Tungsteno 0,50 0,0042 Mercurio 0,94 0,00089 Caratteristiche di metalli e leghe metalliche ad elevata resistività

MATERIALE Ferro puro Piombo Ghisa Nichelcromo Manganina

- CONDUTTORI PER RESISTORI E FORNI ELETTRICI cond. 13

Resistore campione resistore con valore di R noto con notevole precisione e stabile nel tempo Caratteristiche dei materiali  piccolo coefficiente di temperatura  piccole f.e.m. di contatto  facilità di lavorazione

COSTANTANA  tensione alternata (alte f.e.m. di contatto) MANGANINA  tensione continua (basse f.e.m. di contatto)  difficile saldatura  manganina > costantana

LEGA NICHEL-CROMO (80% - 20%)   = 3manganina = 1,09 mm2 a 20°C = 1,15 mm2 a 1000°C m m  resistenza all’ossidazione  buone caratteristiche meccaniche Ni – Fe – Cr (65% - 20% - 15%)  per temperature più basse (circa 800 °C)  lega più economica - MATERIALI PER CONTATTI cond. 14

consentono, senza grave deterioramento, la chiusura del circuito elettrico, garantendone la continuità e stabilendo una determinata corrente, oppure di aprirlo, interrompendo correnti anche intense rele, sezionatori, contattori, interruttori di manovra, interruttori Proprietà dei materiali per contatti  sicurezza del contatto  resistenza del contatto (anche a lungo termine)  tendenza alla saldatura  comportamento in presenza di arco  trasferimento del materiale del contatto  vita del contatto

SICUREZZA DEL CONTATTO

sono in relazione con l’effetto isolante di strati superficiali di ossido  per forze di contatto di 20  30 g: oro, palladio, platino  per forze di contatto > 100 g : argento

RESISTENZA ELETTRICA cond. 15

 contatti portacorrente è funzione di:  pellicole isolanti o semiconduttrici  resistività propria del materiale (per forze modeste – fino a 100g – incide la durezza del materiale che inferisce sull’estensione del contatto) si usano a base di argento  contatti d’arco  i materiali devono resistere ad alte temperatura  si usano materiali sinterizzati Rame – Tungsteno Argento – Tungsteno Carbone – Argento RESISTENZA ALLA SALDATURA per minimizzarla:  bassa 

 alta capacità termica  alta conduttività termica  alto calore di fusione  alta temperatura di fusione

Scelta di compromesso

COMPORTAMENTO IN PRESENZA DI ARCO  interessa una bassa emissione termoionica  se sottovuoto, corretta valorizzazione del contatto Rame – Bismuto TRASFERIMENTO DEL MATERIALE interessa l

cond. 16

one in DC

 a basse correnti si ha trasferimento negativo  ad alte correnti (>10 A) si ha trasferimento positivo

VITA  materiale con bassa resistenza e buon comportamento all’arco

elevata durata  è importante il numero di operazioni e la corrente a cui si eseguono

- ALTRI TIPI DI CONDUTTORI cond. 17

A BASE DI CARBONE E GRAFITE (  elevata )

Tipo Impasto di carbone (coeff. di temp. < 0) Grafite Elettrografite (coeff. di temp. < 0 fino a 500°C ) Metalgrafite (composti di carbone e polvere metallica)

 [ . mm2/m] J [A/cm2] 35  45

67

15  150

4  12

14  75

8  12

0,25  2

10  15

Applicazioni Resistori Vernici conduttrici Contatti striscianti Resistori a strato Contatti

Spazzole per collettori di macchine elettriche

TUNGSTENO  elevato punto di fusione  temperatura elevata

maggiore rendimento luminoso  applicazioni: elettrodi, filamenti di lampade

- MATERIALI PER CONTATTI STRISCIANTI cond. 18

per spazzole e contatti che consentono il passaggio della corrente tra circuiti fissi e mobili spazzole

vc

PARAMETRI FONDAMENTALI - c.d.t. di contatto vc (per doppio contatto) - densità di corrente  - max velocità periferica ammissibile vp

Materiale

vc [ V ]

 [ A/cm2 ]

vp [ m/s ]

carbone duro grafite naturale elettrografite metalgrafite

23 1,5  2 1,5  3 0,5  1,5

67 10 9  10 10  15

< 15 < 45 < 50 < 35

- MATERIALI PER SCARICATORI E VARISTORI cond. 19

CARBURO DI SILICIO (SiC) E [V/mm]

Si ottiene fondendo sabbia e coke a circa 2000 °C.

103 uso: 2

10

- scaricatore (con spinterometri) - vernici semiconduttive

10 10-4 10-2

1

102 104

I [A]

OSSIDO DI ZINCO (ZnO) Dall’ ZnO si ottiene una ceramica isolante.

E [V/mm] 103

Con ossido di Bismuto o di Antimonio presenta proprietà conduttrici

102 10

uso: -4

10

-2

10

1

2

10

4

10

I [A] scaricatori e varistori

POLIMERI CONDUTTORI - Poliacetilene buone caratteristiche conduttrici che si deteriorano nel tempo - Poliacetilene con cariche conduttrici nerofumo su matrice polimerica (schermature elettrostatiche in isolatori passanti) - MATERIALI PER TERMOCOPPIE cond. 20

B TA TB

A

V

C

EBC = K(TA – TB)

Materiali

T [°C ]

f.e.m. [ V/°C ]

Rame – Costantana Ferro – Costantana Chromel – Alumel

-250  400 0  1000

40 55

(90% Ni – 10% Cr)

 1100

40

(94% Ni – 2% Al – 3% Mn – 1% Si) Platino – Platino Rodio

 1300  1500

10

RESISTORI cond. 21

Caratteristiche fondamentali  coprire il campo di interesse con ridotto ingombro (e indipendente dal valore ohmico)  indipendenza dalla temperatura  indipendenza dalla tensione applicata  buona stabilità all’invecchiamento e alle sollecitazioni ambientali Classificazione in relazione al processo di fabbricazione e merceologico  a impasto  a strato (metallico o carbonio)  a filo

 variabili  a strato spesso e sottile  non lineari – trasduttori

a impasto di grafite cond. 22

miscela di materiale resistivo (grafite) e isolante (argilla o talco) polverizzati e mescolati con l’aggiunta di resina termoindurente (matrice meccanica) % di riempitivo

grafite

R

10 % 80 %

10 m cm 100 k cm

1 M 10 M

resistori vetrinati rutenio e vetro maggiore stabilità e precisione resistori a pellicola (film) deposizione di un sottile strato (0,01 m  5 m) resistivo:  carbonio (deposizione)  metallico (evaporazione, polverizzazione catodo) su un supporto meccanico isolante :  ceramica a bassa costante dielettrica (steatite, fosforite)  vetro

a filo avvolto si avvolge su un tubo di materiale isolante (porcellana, steatite) un filo ad alta resistività e basso coefficiente di temperatura (leghe Ni-Cu, costantana-manganina, Ni-Cr)  diametro del filo  50 m (per evitare rotture)  R massima: 50 (80) k  frequenze di funzionamento < 500 kHz

POTENZIOMETRI E RESISTORI VARIABILI cond. 23

elementi resistivi  strati o impasti di carbone  filo  due strati spessi il cursore deve assicurare, attraverso il contatto strisciante, un buon contatto ohmico senza eccessiva usura (la linguetta è di bronzo fosforoso) resistenza del contatto = 2m

potenziometri a un giro il cursore è montato sull’albero di attuazione potenziometri a più giri (alte risoluzioni) vite senza fine

Legge di variazione cursore – estremo 

R() =   l d 0

 = escursione

s variazione

l = 1 dR s  d

- spessore strato - passo avvolgimento

 lineari  logaritmici  seno / coseno  quadratici - CARATTERISTICHE QUANTITATIVE DEI RESISTORI cond. 24

 valore ohmico  tolleranza  potenza dissipabile  [ W/°C ] Ta = 25 °C

Pd(T) = Pd(Ta) - (T – Ta) 1 = resistenza termica media tra il  materiale resistivo e l’ambiente  campo di temperatura di esercizio Tmin < Ta < Tmax  Tmax è limitata da: Pd(Tmax) = 0

=

Pd Tmax – Ta

a Tmax si hanno rapide alterazioni struttural...